Globale sluiter van de vierde generatie uitgelegd en waarom ingebouwde beeldsensoren betere prestatiestatistieken nodig hebben

Beeldsensoren evolueren op drie belangrijke manieren:meer rand van systeemfunctionaliteit met de opkomst van het internet der dingen (IoT); implementatie van nieuwe functies zoals on-chip polarisatie en hyperspectrale sensoren, die meer kunnen zien dan het blote oog; en, misschien wel de meest fundamentele vooruitgang voor de meeste machine vision-toepassingen, is de noodzaak om met steeds grotere resoluties vast te leggen - en dit sneller te doen.

Dit artikel gaat in op de evolutie van GS-CMOS-beeldsensoren, inclusief wat u kunt verwachten van de vierde generatie wereldwijde sluitertechnologie die binnenkort wordt uitgebracht, en hun rol bij het verbeteren van de beeldprestaties.

Global-shutter CMOS-beeldsensoren werden ongeveer tien jaar geleden voor het eerst gelanceerd en hebben sindsdien een cruciale rol gespeeld bij het mogelijk maken van de versnelde doorvoer van productieprocessen met hoge snelheid. De technologie gaf niet alleen een digitale output, maar vermeed ook ruimtelijke vervorming veroorzaakt door het rolluikeffect.

De technologie is snel geëvolueerd om een ​​betere beeldkwaliteit te bieden, waarbij de sensoren van de eerste generatie slechts 2,4 megapixels leveren in het 1/1,2”-formaat (5,86 µm pixelgrootte). De eisen aan de resolutie betekenden dat ingenieurs de tweede generatie sensorpixelgrootte van 3,45 µm creëerden, waardoor Sony resoluties van 0,4 tot 31 megapixels kon dekken.

Maar naarmate de pixelgrootte kleiner wordt, neemt ook de hoeveelheid licht die elke pixel in de sensor bereikt, af, waardoor de verzadigingscapaciteit afneemt.

Bij de derde generatie is gezocht naar een optimale balans tussen deze concurrerende factoren:het iets vergroten van de pixelgrootte (tot 4,5 µm) en daarmee het vergroten van de verzadigingscapaciteit dichter bij de apparaten van de eerste generatie, terwijl ook het dynamisch bereik en de snelheid worden verbeterd.

Met de voltooiing van de eerste tot de derde generatie pixels, creëerde Sony een portfolio met resolutie en optische afmetingen die de legacy CCD-reeks dekte die werd stopgezet.

Een holistische benadering van het vastleggen van afbeeldingen

Machine vision-systemen moeten niet alleen gedetailleerde beelden vastleggen voor analyse, ze moeten ook de juiste informatie vastleggen, deze informatie overbrengen naar een computer en dit doen met uitzonderlijk hoge snelheden.

De uitleesframerate van de sensor (evenveel als de gebruikte transmissiestandaard) is daarom een ​​cruciaal element in dit proces. Maar dat geldt ook voor de functies die zijn ingebouwd in elke nieuwe generatie GS-CMOS-beeldsensoren. Generatie 1 omvatte de globale sluiter om bewegingsartefacten te elimineren; en een multi-frame region of interest (ROI)-functie, waarmee een subset van gegevens kan worden doorgegeven aan de computer voor analyse.

Generatie 2 heeft triggers voor meerdere belichtingen toegevoegd, waardoor meerdere belichtingen kunnen worden vastgelegd binnen één beeldframe om ervoor te zorgen dat beelden een grotere diepte van informatie vastleggen - en de minimale belichtingstijd werd teruggebracht tot slechts 2 µs.

Generatie 3 omvatte een dubbele ADC en dubbele trigger, waardoor een low- en high-gain afbeelding op hetzelfde frame kon worden gemaakt, waarbij elk afzonderlijk kon worden geactiveerd. Bovendien werd een conversieversterking op de sensor ingebed om de gevoeligheid, verzadigingscapaciteit en dynamisch bereik beter in balans te brengen om zowel bij weinig als bij fel licht om te gaan. Ten slotte is er een zelftrigger toegevoegd, waarbij de ene ROI als trigger voor de andere fungeert.

De sensor omkeren

Hoewel het nog steeds mogelijk is om het totale aantal pixels te vergroten door de grootte van de beeldsensor te vergroten, gebruiken de meeste machine vision-toepassingen een camera met C-bevestiging die een sensor van het 1-inch type (16 mm diagonaal) gebruikt.

De eerste drie generaties GS-CMOS-beeldsensoren gebruikten een aan de voorzijde verlichte pixelstructuur (zie figuur 1), waarbij licht de lens binnenkwam, voordat het door de metalen bedradingslaag en op de lichtgevoelige fotodiode ging.

Dit vermindert het licht dat de fotodiodelaag bereikt, waarbij een deel van het licht dat de lens binnenkomt, op de metalen bedradingslaag wordt gericht.

Een alternatieve benadering die wordt gebruikt voor de vierde generatie GS-CMOS is om de metaalbedrading- en lichtgevoelige fotodiodelagen om te keren om een ​​van achteren verlichte pixelstructuur te creëren en het gemakkelijker te maken voor fotonen om te worden gedetecteerd (zie figuur 2) .

Dankzij deze omgekeerde structuur kan de pixelgrootte worden verkleind tot ongeveer 63% in vergelijking met de conventionele verlichte sensor aan de voorkant (2,74 µm) zonder de verzadigingskarakteristieken te verminderen.

Bovendien maakt deze inversie het mogelijk om perifere circuits aan de achterkant van de sensor te plaatsen. Hierdoor kan de resolutie worden verhoogd - van 12 MP naar 20 MP - terwijl de verpakkingsgrootte werd teruggebracht tot ongeveer 91%; zelfs bij gebruik van hetzelfde optische systeem als eerdere modellen (zie afbeelding 3).

Vierde generatie functies en uitleesframesnelheden

De omgekeerde, van achteren verlichte pixelstructuur geeft ook de mogelijkheid om een ​​zeer flexibele bedradingslay-out te implementeren en door dit te combineren met een schaalbare laagspanningssignalering met ingebouwde klok (SLVS-EC) high-speed interface is het mogelijk om de uitleesframesnelheid aanzienlijk te verbeteren . Rekening houdend met de beelden met een hogere resolutie die worden verzonden, kan de uitleesframesnelheid bijna 2,4 keer sneller zijn dan bij conventionele sensoren.

Extra functies die zijn geïmplementeerd op sensoren van de vierde generatie, zijn onder meer een combinatie van dubbele ADC-gegevens op de sensor, waardoor een HDR-beeld (high dynamic range) kan worden gemaakt van de low- en high-gain opnamen. De sluitertijd is versneld, met de tijd tussen de sluiters tot slechts 2 µs.

Conclusie

Om een ​​hoge mate van automatisering te implementeren die vooruitgang mogelijk maakt, zoals het vervangen van visuele inspectie in fabrieken en magazijnen en in andere toepassingen van fabrieksautomatisering en distributie, moeten inspectie en herkenning nauwkeuriger en sneller zijn, wat een grotere efficiëntie mogelijk maakt.

De sensor van de vierde generatie is een grote sprong voorwaarts voor de industrie en voor de industriële automatisering in het algemeen - waardoor zowel betere beelden als een grotere reeks on-chip-functies mogelijk zijn die de kwaliteitscontrole en snelheid van industriële productieprocessen verbeteren.

Deze behoefte aan steeds grotere productiesnelheid en nauwkeurigheid zal echter blijven bestaan, en er is een probleem aan de horizon dat moet worden aangepakt voordat het een probleem wordt.

Zoals we hebben gezien, kunnen sensorfabrikanten de pixelgrootte voorbij dat optimale punt verkleinen. Er kan inderdaad worden beweerd dat er voor sommigen een commercieel belang is om dit te doen; profiteren van het gebruik ervan door niet-specialisten als proxy-metriek (vaak de enige metriek) om de beeldkwaliteit van hun systeem te kwantificeren.

Wij als industrie moeten samenwerken om een ​​betere alternatieve maatstaf te leveren. Een die rekening houdt met de complexe aard van industriële beeldvorming. Een die meer holistisch kijkt naar de kwaliteit en de telling. En uiteindelijk een die net zo gemakkelijk te begrijpen is als het aantal pixels.